Прочность и механическое разрушение полимеров

Разрушение - это разрыв связей между элементами тела (атомами, молекулами, ионами), приводящий к разделению образца на части (разрыв или скол). Сопротивление материала разрушению принято называть прочностью или механической прочностью. Прочность обычно характеризуют величиной напряжения, вызывающего разрушение тела. Напряжение, вызывающее разрыв, называется разрывным напряжением или сопротивлением разрыву и выражается в кГ/см² или кГ/мм².

Сопротивление материала разрыву определяют, как правило, по деформационным кривым. Разрыв сплошности мономеров и низкомолекулярных полимеров не требует приложения значительных напряжений.

Разрыв полимерных материалов - это процесс, происходящий во времени. В течение этого времени в материале возникают необратимые изменения, о чем свидетельствует независимость долговечности от способа нагружения полимерных образцов. Так, при непрерывном пребывании образца под нагрузкой или при нагружении того же образца через некоторые промежутки времени долговечность при одном и том же напряжении одинакова. Это означает, что изменения, происходящие в твердом теле под действием растягивающих напряжений, не восстанавливаются при последующем снятии нагрузки (отдыхе), т. е. являются необратимыми. Эти необратимые изменения в материале, находящемся под нагрузкой, обусловлены образованием микротрещин.

При механическом воздействии на изделия из полимерных материалов наблюдается явление растрескивания, причем обычно оно начинается с наиболее напряженных мест, например с отверстий, служащих для крепления деталей, и т. п. Явления растрескивания приобретают особое значение при использовании полимеров в тех областях, где важны их оптические свойства, которые при растрескивании ухудшаются. Вследствие образования множества мельчайших трещин, отражающих и рассеивающих свет, происходит помутнение и так называемое «серебрение» поверхности. При рассмотрении деталей под определенным углом наблюдается яркий блеск поверхности.

Растрескивание происходит под влиянием внешних и внутренних напряжений. Внутренние напряжения - это напряжения, возникшие в процессе изготовления образца и взаимно уравновешенные в нем. Иногда растрескивание полимерного материала происходит только под влиянием таких внутренних напряжений.

При исследовании под микроскопом образования и роста поверхностных трещин в полимерах было установлено, что трещины возникают не мгновенно после приложения нагрузки, а через некоторое время. Затем образуются новые трещины, а трещины, появившиеся ранее, постепенно разрастаются. Поэтому одновременно в образце имеются трещины самых различных размеров. Скорость их возникновения (число трещин, появляющихся на 1 см² поверхности за 1 сек) и скорость роста некоторых из них (увеличение длины видимой в микроскоп трещины за 1 сек) зависят от напряжения и температуры. С повышением температуры и с увеличением напряжения скорость обоих процессов возрастает. После достижения некоторого предела число трещин больше не растет, однако их размер продолжает увеличиваться.

Образование микротрещин приводит к разрушению полимерных материалов. Этот процесс можно разделить на две стадии:

1) возникновение и рост первичных трещин;

2) быстрое прорастание этих трещин через все сечение образца в результате перенапряжения на их концах.

Микротрещины образуются не только на поверхности, но и во всем объеме образца, и их образование является необратимым процессом: длительный отдых образна после снятия нагрузки приводит к уменьшению размера трещины, но не к полному ее «залечиванию». Трещина остается, и при приложении любого растягивающего усилия снова начинает расти,

При деформации прозрачных стеклообразных полимеров в определенном интервале температур наблюдается побеление в месте образования шейки. Это явление связано с образованием микротрещин. Чем выше температура деформации, тем слабее повеление, и вблизи Т_с оно полностью исчезает.

Микротрещины возникают и в таких образцах, в которых при растяжении не образуется шейки, однако в этом случае образование трещин протекает менее интенсивно.

При малых деформациях микротрещины не образуются или очень малы по размерам. При растяжении образцов полимеров до разрыва или почти до разрыва наблюдается образование значительных трещин, не «залечивающихся» при прогреве выше Т_с.

Растрескивание полимерных материалов в значительной степени зависит от способа их переработки. Наибольшее растрескивание вызывают растягивающие напряжения, оставшиеся в материале после прессования или других технологических операций. Предварительный отжиг полимерного материала всегда повышает стойкость его к растрескиванию.

Все изложенное относится не только к простым видам деформации (растяжению), но и к деформации кручения и к более сложным случаям разрушения (например, к истиранию), которые также являются термоактивационными процессами.